CN114239356A - 一种基于有限元网格的共形点阵材料设计方法 - Google Patents

一种基于有限元网格的共形点阵材料设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114239356A
CN114239356A CN202111531562.5A CN202111531562A CN114239356A CN 114239356 A CN114239356 A CN 114239356A CN 202111531562 A CN202111531562 A CN 202111531562A CN 114239356 A CN114239356 A CN 114239356A
Authority
CN
China
Prior art keywords
conformal
nodes
finite element
unit
node
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111531562.5A
Other languages
English (en)
Inventor
钟豪章
莫翰轩
王淑侠
顾剑锋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Shanghai Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Jiaotong University filed Critical Shanghai Jiaotong University
Priority to CN202111531562.5A priority Critical patent/CN114239356A/zh
Publication of CN114239356A publication Critical patent/CN114239356A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C60/00—Computational materials science, i.e. ICT specially adapted for investigating the physical or chemical properties of materials or phenomena associated with their design, synthesis, processing, characterisation or utilisation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于有限元网格的共形点阵材料设计方法，包括对三维实体进行六面体网格划分实现单元离散化，根据形函数插值将单胞进行旋转和变形后填充到共形单元中形成共形桁架结构，并生成所有梁两端节点的三维空间坐标，将共形桁架结构的重合节点合并后重新编号，以.inp或.obj文件格式导出后进行有限元中梁单元加载模拟，生成.stl或.obj文件格式导出，得到共形点阵材料。本发明利用有限元网格对复杂结构进行六面体有限元划分网格疏密可控，且得到的.stl或.obj文件大小相比于布尔操作小得多，用于生成共形桁架结构可以匹配物体复杂外表面，实现点阵材料从材料到结构的一体化转变。

Description

一种基于有限元网格的共形点阵材料设计方法
技术领域
本发明属于材料结构优化设计技术领域，具体涉及一种基于有限元网格的共形点阵材料设计方法。
背景技术
点阵材料是由美国普林斯顿大学的Evans教授、哈佛大学的Hutchinson教授等人在2000年左右共同提出的一种轻量化结构材料的概念，点阵材料与泡沫材料相比，具有微结构有序的几何特征，可设计性更强。三维点阵材料是国际上认为新一代先进轻质超强韧材料，一部分点阵材料具有特殊的性质，被称为超材料。2006年英国剑桥大学的Ashby教授经过对点阵材料十多年的研究后进一步扩充点阵材料的定义，将点阵材料的结构单元尺度限于微米或毫米级，即小于1厘米。正因如此，Ashby教授认为，它除可被看作“材料”外，还可以被看作是“结构”，它是结构件的组成材料，也可以和结构一样通过拓扑设计来优化性能。3D打印为复杂的点阵材料设计提供技术支撑，目前已发展出多种单胞微结构的点阵材料。
布尔运算是数字符号化的逻辑推演法，包括联合、相交、相减，在图形处理操作中引用这种逻辑运算方法以使简单的基本图形组合产生新的形体，并由二维布尔运算发展到三维图形的布尔运算。现有的常用CAD软件如Solidwork、Proe、UG和Creo等通过布尔操作可以使得点阵材料的轮廓和结构一致，但布尔操作占内存较大，而点阵材料的构建是基于一个单胞在三维空间阵列得到，文件都比较大，使得点阵材料的布尔操作比较困难。另外，现有3D打印相关的软件如materialise旗下的3D-matic软件和n-topology云软件可以实现一定的共形设计功能，但这些软件只能实现简单结构件的共形功能，且使用该共形功能时软件提供的点阵材料微结构单胞的选择非常有限。尽管3D打印的常规点阵结构内部网格规则排列，但内部网格遇到外表面时会被切割开(布尔运算)，出现表面参差不齐影响力学性能。如果能采用共形的方式设计网格，使网格单元匹配外表面形状的方式排列，则可以得到表面质量更高的结构。
发明内容
针对现有技术中3D打印点阵材料采用布尔运算切割外轮廓方式破坏点阵结构的完整性从而无法匹配复杂外轮廓的问题，本发明的目的是提供一种基于有限元网格的共形点阵材料设计方法，得到的共形点阵材料用于生成共形桁架结构可以匹配物体复杂外表面，实现点阵材料从材料到结构的一体化转变。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种基于有限元网格的共形点阵材料设计方法，包括以下步骤：
步骤S1、通过Hypermesh软件对三维实体进行六面体网格划分实现单元离散化，得到共形单元构成的三维实体信息，包括所述共形单元中所有节点的节点坐标和每个共形单元对应的节点编号，以.inp文件格式导出；
步骤S2、根据形函数插值将单胞进行旋转和变形后填充到上述共形单元中，形成共形桁架结构，再根据所述共形单元的网格和所述单胞的梁结构，使用形函数的算法生成所述共形桁架结构中所有梁的数据，即所有梁两端节点的三维空间坐标；
步骤S3、将所述共形桁架结构的重合节点合并后重新编号，并对合并重合节点之后的节点坐标和对应梁进行编号，以.inp或.obj文件格式导出；
步骤S4、得到共形桁架结构的梁数据进行有限元中梁单元加载模拟，通过ABAQUS软件将每根梁转变成一根特定粗细的圆柱，生成可用于3D打印的.stl或.obj文件格式导出，得到共形点阵材料。
作为优选的技术方案，步骤S2中同一共形单元的不同节点表示如下：
Figure BDA0003411622250000021
Ni(ξ,η,ζ)1＝[-1,-1,1]
Ni(ξ,η,ζ)2＝[1,-1，1]
Ni(ξ，η，ζ)3＝[1，-1，-1]
Ni(ξ，η,ζ)4＝[-1，-1，-1]
Ni(ξ，η，ζ)5＝[-1,1,1]
Ni(ξ,η,ζ)6＝[1,1,1]
Ni(ξ,η,ζ)7＝[1,1,-1]
Ni(ξ,η,ζ)8＝[-1,1,-1]
已知节点上的场变量φi，内部任意点(即自然坐标ξ,η,ζ)上的场变量φ为：
Figure BDA0003411622250000022
作为优选的技术方案，步骤S3中判断重合节点的方法为：通过每个节点与其它节点之间的计算距离判断重合与否，由于计算的时间复杂度与节点数量n的平方成正比，由所述共形单元的网格邻接信息可以确定每个单胞的邻居单胞，当前节点仅与本单胞以及邻居单胞中的梁节点坐标进行比对即可。
作为优选的技术方案，步骤S4中所述圆柱的粗细范围粗细范围不小于200um，可以满足3D打印的工艺需求。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明利用有限元网格强大的自适应技术对复杂结构进行六面体有限元划分，可以很好地控制网格疏密，且得到的.stl或.obj文件大小相比于布尔操作小得多，得到的共形点阵材料用于生成共形桁架结构可以匹配物体复杂外表面，实现点阵材料从材料到结构的一体化转变，从而克服采用布尔运算切割外轮廓方式破坏点阵结构的完整性从而无法匹配复杂外轮廓的问题。
附图说明
图1是本发明中基于有限元网格的共形点阵材料设计方法的流程示意图。
图2是实施例中基于有限元网格的共形点阵材料设计中六面体网格的节点信息提取示意图。
图3是共形点阵材料设计(A和B)和非共形点阵材料设计(C)的比较。
图4是基于有限元网格的BCC共形点阵材料，其中A：单胞(BCC)；B：桁架结构；C：梁结构。
图5是基于有限元网格的FCC共形点阵材料，其中A：单胞(FCC)；B：桁架结构；C：梁结构。
图6是基于有限元网格的Cubic共形点阵材料，其中A：单胞(cubic)；B：桁架结构；C：梁结构。
图7是基于有限元网格的BCC+FCC+Cubic共形点阵材料，其中A：单胞(cubic+FCC+BCC)；B：桁架结构；C：梁结构。
图8是不同杆直径的基于有限元网格的BCC共形点阵材料，其中A：d(直径)＝0.2mm；B：d＝0.5mm；C：d＝1.5mm。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中采用基于有限元网格的共形点阵材料设计方法(图1)，步骤如下：
步骤S1、通过Hypermesh软件对三维实体进行六面体网格划分实现单元离散化，得到共形单元构成的三维实体信息，包括共形单元中所有节点的节点坐标和每个共形单元对应的节点编号，以.inp文件格式导出；
步骤S2、根据形函数插值将单胞进行旋转和变形后填充到上述共形单元中，形成共形桁架结构，再根据共形单元的网格和单胞的梁结构，使用形函数的算法生成共形桁架结构中所有梁的数据，即所有梁两端节点的三维空间坐标；其中同一共形单元的不同节点表示如下：
Figure BDA0003411622250000041
Ni(ξ,η,ζ)1＝[-1,-1,1]
Ni(ξ,η,ζ)2＝[1,-1,1]
Ni(ξ,η,ζ)3＝[1,-1,-1]
Ni(ξ,η,ζ)4＝[-1,-1,-1]
Ni(ξ,η,ζ)5＝[-1,1,1]
Ni(ξ,η,ζ)6＝[1,1,1]
Ni(ξ,η,ζ)7＝[1,1,-1]
Ni(ξ,η,ζ)8＝9-1,1,-1]
已知节点上的场变量φi，内部任意点(即自然坐标ξ,η,ζ)上的场变量φ为：
Figure BDA0003411622250000042
步骤S3、将共形桁架结构的重合节点合并后重新编号，并对合并重合节点之后的节点坐标和对应梁进行编号，以.inp或.obj文件格式导出；其中判断重合节点的方法为：通过每个节点与其它节点之间的计算距离判断重合与否，由于计算的时间复杂度与节点数量n的平方成正比，由共形单元的网格邻接信息可以确定每个单胞的邻居单胞，当前节点仅与本单胞以及邻居单胞中的梁节点坐标进行比对即可；
步骤S4、得到共形桁架结构的梁数据后，通过有限元模拟对共形桁架结构进行六面体有限元网络划分控制其网格疏密，生成可用于3D打印的.stl或.obj文件格式导出，得到共形点阵材料。其中，六面体网格的节点信息提取如图2所示，得到的共形点阵材料设计(图3A、3B)，与现有的非共形点阵材料设计(图3C)相比，共形点阵材料用于生成共形桁架结构可以匹配物体复杂外表面，实现点阵材料从材料到结构的一体化转变。
实施例1
本实施例以三维圆环体为例，先对三环圆环的CAD模型画六面体网格，然后通过程序在六面体网格中添加BCC单胞(图4A)对应的桁架并得到桁架结构的.inp或.obj格式的数据，通过ABAQUS软件将桁架(图4B)变成有一定直径的梁(图4C)。
实施例2
本实施例以三维圆环体为例，先对三环圆环的CAD模型画六面体网格，然后通过程序在六面体网格中添加FCC单胞(图5A)对应的桁架并得到桁架结构的.inp或.obj格式的数据，通过ABAQUS软件将桁架(图5B)变成有一定直径的梁(图5C)。
实施例3
本实施例以三维圆环体为例，先对三环圆环的CAD模型画六面体网格，然后通过程序在六面体网格中添加Cubic单胞(图6A)对应的桁架并得到桁架结构的.inp或.obj格式的数据，通过ABAQUS软件将桁架(图6B)变成有一定直径的梁(图6C)。
实施例4
本实施例以三维圆环体为例，先对三环圆环的CAD模型画六面体网格，然后通过程序在六面体网格中添加FCC+Cubic+FCC单胞(图7A)对应的桁架并得到桁架结构的.inp或.obj格式的数据，通过ABAQUS软件将桁架(图7B)变成有一定直径的梁(图7C)。
实施例5
本实施例以三维圆环体为例，先对三环圆环的CAD模型画六面体网格，然后通过程序在六面体网格中添加BCC单胞对应的桁架并得到桁架结构的.inp或.obj格式的数据，通过ABAQUS软件将桁架变成有一定直径的梁，梁具有不同的直径，得到不同相对密度的共形桁架(图8A–C)。

Claims (4)

1.一种基于有限元网格的共形点阵材料设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、通过Hypermesh软件对三维实体进行六面体网格划分实现单元离散化，得到共形单元构成的三维实体信息，包括所述共形单元中所有节点的节点坐标和每个共形单元对应的节点编号，以.inp文件格式导出；
步骤S2、根据形函数插值将单胞进行旋转和变形后填充到上述共形单元中，形成共形桁架结构，再根据所述共形单元的网格和所述单胞的梁结构，使用形函数的算法生成所述共形桁架结构中所有梁的数据，即所有梁两端节点的三维空间坐标；
步骤S3、将所述共形桁架结构的重合节点合并后重新编号，并对合并重合节点之后的节点坐标和对应梁进行编号，以.inp或.obj文件格式导出；
步骤S4、得到共形桁架结构的梁数据进行有限元中梁单元加载模拟，通过ABAQUS软件将每根梁转变成一根特定粗细的圆柱，生成可用于3D打印的.stl或.obj文件格式导出，得到共形点阵材料。
2.根据权利要求1所述基于有限元网格的共形点阵材料设计方法，其特征在于，步骤S2中同一共形单元的不同节点表示如下：
Figure FDA0003411622240000011
Ni(ξ，η，ζ)1＝[-1，-1，1]
Ni(ξ，η，ζ)2＝[1，-1，1]
Ni(ξ，η，ζ)3＝[1，-1，-1]
Ni(ξ，η，ζ)4＝[-1，-1，-1]
Ni(ξ，η，ζ)5＝[-1，1，1]
Ni(ξ，η，ζ)6＝[1，1，1]
Ni(ξ，η，ζ)7＝[1，1，-1]
Ni(ξ，η，ζ)8＝[-1，1，-1]
已知节点上的场变量φi，内部任意点(即自然坐标ξ，η，ζ)上的场变量φ为：
Figure FDA0003411622240000012
3.根据权利要求1所述基于有限元网格的共形点阵材料设计方法，其特征在于，步骤S3中判断重合节点的方法为：通过每个节点与其它节点之间的计算距离判断重合与否，由于计算的时间复杂度与节点数量n的平方成正比，由所述共形单元的网格邻接信息可以确定每个单胞的邻居单胞，当前节点仅与本单胞以及邻居单胞中的梁节点坐标进行比对即可。
4.根据权利要求1所述基于有限元网格的共形点阵材料设计方法，其特征在于，步骤S4中所述圆柱的粗细范围不小于200um。
CN202111531562.5A 2021-12-15 2021-12-15 一种基于有限元网格的共形点阵材料设计方法 Pending CN114239356A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111531562.5A CN114239356A (zh) 2021-12-15 2021-12-15 一种基于有限元网格的共形点阵材料设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111531562.5A CN114239356A (zh) 2021-12-15 2021-12-15 一种基于有限元网格的共形点阵材料设计方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114239356A true CN114239356A (zh) 2022-03-25

Family

ID=80756129

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111531562.5A Pending CN114239356A (zh) 2021-12-15 2021-12-15 一种基于有限元网格的共形点阵材料设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114239356A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115121809A (zh) * 2022-06-29 2022-09-30 华中科技大学 一种曲母线锥形面点阵结构及其增材制造方法和装置
CN115464156A (zh) * 2022-09-19 2022-12-13 上海交通大学 基于tpms结构的3d打印铜质双通道散热器及其制备方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115121809A (zh) * 2022-06-29 2022-09-30 华中科技大学 一种曲母线锥形面点阵结构及其增材制造方法和装置
CN115121809B (zh) * 2022-06-29 2023-04-07 华中科技大学 一种曲母线锥形面点阵结构及其增材制造方法和装置
CN115464156A (zh) * 2022-09-19 2022-12-13 上海交通大学 基于tpms结构的3d打印铜质双通道散热器及其制备方法
CN115464156B (zh) * 2022-09-19 2023-11-28 上海交通大学 基于tpms结构的3d打印铜质双通道散热器及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Aremu et al. A voxel-based method of constructing and skinning conformal and functionally graded lattice structures suitable for additive manufacturing
Chen 3D texture mapping for rapid manufacturing
CN105844691B (zh) 无序点云三维重建方法
CN114239356A (zh) 一种基于有限元网格的共形点阵材料设计方法
US11327465B2 (en) Method and system to fabricate a three-dimensional meta-structure workpiece
CN106373184B (zh) 一种三维打印模型摆放所需支撑量快速估算方法
CN109977507B (zh) 一种复杂形貌多孔支架的高效生成方法
CN108876923A (zh) 一种基于岩石微ct图像的三维孔隙尺度模型重建方法
JP2005038219A (ja) 境界表現データからボリュームデータを生成する方法及びそのプログラム
Hadi et al. Design configurations and creation of lattice structures for metallic additive manufacturing
Wang et al. Hierarchical combinatorial design and optimization of non-periodic metamaterial structures
US20200327729A1 (en) Systems and Methods for Preparing a Virtual Three-Dimensional (3D) Object for 3D Printing
CN106204748B (zh) 一种基于特征的cad体网格模型编辑、优化方法
Arisoy et al. Design and topology optimization of lattice structures using deformable implicit surfaces for additive manufacturing
CN101303774A (zh) 基于三维实体模型的四边形有限元网格生成方法
CN112287491A (zh) 一种复合型点阵材料及其设计方法
Nguyen Design of lattice structure for additive manufacturing in CAD environment
CN108389263A (zh) 面向边界元方法求解计算的iges面网格快速生成方法
CN115867430A (zh) 增材制造中的打印工艺制定方法及装置
CN113191016B (zh) 一种基于体表达模型的多材料产品建模分析一体化方法
Aliyi et al. Case study on topology optimized design for additive manufacturing
CN113887095A (zh) 一种基于等几何分析的渐进式结构拓扑优化方法
CN108491654A (zh) 一种三维实体结构拓扑优化方法及系统
McConaha Graded lattice structure density optimization for additive manufacturing
CN115674684B (zh) 内部自支撑结构镂空的3d打印方法及桌面摆件打印方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination